一种应用于微创手术的蛇形手术机器人转让专利
申请号 : CN202010190432.9
文献号 : CN111437036B
文献日 : 2021-03-12
发明人 : 赵保亮 , 胡颖 , 张朋 , 王腾 , 雷隆
申请人 : 中国科学院深圳先进技术研究院
摘要 :
权利要求 :
1.一种应用于微创手术的蛇形手术机器人,其特征在于,包括滑台模组、滑动连接于所述滑台模组上的滑轮模组、设于所述滑轮模组上的驱动模组以及与所述滑轮模组连接的机械臂,所述驱动模组通过所述滑轮模组为所述机械臂提供动力;
所述机械臂包括手术执行器、与所述手术执行器连接且能弯曲运动的第一关节以及与所述第一关节连接且能摇摆运动的第二关节,其中,所述第一关节为可连续变形的连续体结构,所述第二关节为齿轮啮合结构;
所述第二关节包括远端杆件、近端杆件、第一齿轮副、第二齿轮副和固定盘,其中,所述远端杆件和所述固定盘转动连接,所述近端杆件和所述固定盘转动连接;所述第一齿轮副固定于所述远端杆件上,所述第二齿轮副固定于所述近端杆件上,所述第一齿轮副和所述第二齿轮副啮合连接;
所述第二关节还包括用于为所述第二关节的摇摆运动提供牵引力的第二驱动线,所述第二驱动线的一端与所述远端杆件固定连接,所述第二驱动线的远离所述远端杆件的一端穿过所述固定盘和所述近端杆件后与所述滑轮模组固定连接。
2.如权利要求1所述的应用于微创手术的蛇形手术机器人,其特征在于,所述第一关节包括依次转动连接的远端椎骨、至少一个间隔椎骨以及近端椎骨,所述远端椎骨与所述手术执行器连接,所述近端椎骨与所述第二关节连接;
所述第一关节还包括用于为所述第一关节的弯曲运动提供牵引力的第一驱动线,所述第一驱动线的一端与所述远端椎骨固定连接,所述第一驱动线的远离所述远端椎骨的一端依次穿过所述间隔椎骨和所述近端椎骨后与所述滑轮模组固定连接。
3.如权利要求2所述的应用于微创手术的蛇形手术机器人,其特征在于,所述第一关节上设有用于保持所述第一关节的形状的弹性支撑件,所述弹性支撑件依次固定连接于所述远端椎骨、所述间隔椎骨及所述近端椎骨上。
4.如权利要求1所述的应用于微创手术的蛇形手术机器人,其特征在于,所述机械臂还包括与所述第二关节连接且能摇摆运动的第三关节以及与所述第三关节连接且能沿自身轴向转动的躯干,所述躯干与所述滑轮模组连接。
5.如权利要求4所述的应用于微创手术的蛇形手术机器人,其特征在于,所述第二关节的结构与所述第三关节的结构相同。
6.如权利要求1‑5任一项所述的应用于微创手术的蛇形手术机器人,其特征在于,所述机械臂上设有用于为所述机械臂的运动提供牵引力的驱动线,所述滑轮模组包括下基板、多个驱动轴、多个分线轴和多个滑轮轴,多个驱动轴、多个分线轴和多个滑轮轴分别设于所述下基板上,所述驱动线分别经过对应的所述分线轴和所述滑轮轴后固定连接于对应的所述驱动轴,所述驱动模组用于驱动多个所述驱动轴转动。
7.如权利要求6所述的应用于微创手术的蛇形手术机器人,其特征在于,所述驱动轴包括与所述驱动模组连接的驱动主轴、转动套设于所述驱动主轴外的绕线轮以及用于限制所述绕线轮相对所述驱动主轴转动的紧固件,所述驱动线分别经过对应的所述分线轴和所述滑轮轴后固定连接于对应的所述绕线轮上。
8.如权利要求6所述的应用于微创手术的蛇形手术机器人,其特征在于,所述驱动模组包括多个电机,每一所述电机的输出端通过联轴器与对应的所述驱动轴固定连接。
9.如权利要求1‑5任一项所述的应用于微创手术的蛇形手术机器人,其特征在于,所述滑台模组与所述滑轮模组可拆卸连接;和/或,所述驱动模组与所述滑轮模组可拆卸连接;和/或,所述滑轮模组与所述机械臂可拆卸连接。
说明书 :
一种应用于微创手术的蛇形手术机器人
技术领域
背景技术
手术所要求的灵活性,同时使末端执行器械小型化,机器人一般采用绳驱动形式,将体积庞
大的驱动部分置于体外,通过绳驱动体内的末端结构。在进行单孔微创手术及自然腔道手
术时,多个手术器械需要从单一入口进入体腔,医生双手操作器械对同一目标点进行协同
工作,因此手术器械需要在体腔内侧向展开呈三角形态。现有的蛇形手术机器人中,机械臂
包括两段连续体,其定位结构为多段连续体,因而存在着进行手术操作时刚度不足的问题,
这无疑会降低机械臂的运动控制精度;此外,在相邻两段连续体之间,其中一段连续体的运
动会对另一段连续体的驱动产生耦合作用,这也会降低机械臂的运动控制精度。
发明内容
驱动模组以及与所述滑轮模组连接的机械臂,所述驱动模组通过所述滑轮模组为所述机械
臂提供动力;
续体结构,所述第二关节为齿轮啮合结构。
一端依次穿过所述间隔椎骨和所述近端椎骨后与所述滑轮模组固定连接。
二齿轮副固定于所述近端杆件上,所述第一齿轮副和所述第二齿轮副啮合连接;
一端穿过所述近端杆件后与所述滑轮模组固定连接。
多个滑轮轴分别设于所述下基板上,所述驱动线分别经过对应的所述分线轴和所述滑轮轴
后固定连接于对应的所述驱动轴,所述驱动模组用于驱动多个所述驱动轴转动。
别经过对应的所述分线轴和所述滑轮轴后固定连接于对应的所述绕线轮上。
本发明通过连续体结构和齿轮啮合结构配合组成机械臂,可以在保证机械臂的末端的灵活
运动及变形能力的前提下,有效提高机械臂的刚度,并且还能解决或改善现有手术机器人
的机械臂的耦合作用,提高机械臂的运动控制精度,相比于现有的手术机器人,本发明的蛇
形手术机器人的可操作性强,有利于医生进行微操处理。
附图说明
实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动性的前提下,还可以根据这些
附图获得其他的附图。
副;134‑第二齿轮副;135‑固定盘;140‑第三关节;150‑躯干;160‑驱动线;161‑第一驱动线;
162‑第二驱动线;163‑第三驱动线;164‑第四驱动线;165‑旋转驱动线;200‑滑轮模组;210‑
上基板;220‑驱动轴;2201‑驱动主轴;2202‑绕线轮;2203‑紧固件;221‑第一驱动轴;222‑第
二驱动轴;223‑第三驱动轴;224‑第四驱动轴;225‑旋转驱动轴;230‑分线轴;231‑第一分线
轴;232‑第二分线轴;233‑第三分线轴;240‑滑轮轴;241‑第一滑轮轴;242‑第二滑轮轴;
243‑第三滑轮轴;250‑下基板;300‑驱动模组;310‑电机板;320‑电机;330‑联轴器;400‑滑
台模组。
具体实施方式
用以解释本发明,并不用于限定本发明。
以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。
系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有
特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。
隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中,“多个”的含义是两个或两个以上,
除非另有明确具体的限定。
组300以及与滑轮模组200连接的机械臂100,驱动模组300通过滑轮模组200为机械臂100提
供动力,机械臂100用于执行夹持、切割、缝合等手术操作;
130,其中,第一关节120为可连续变形的连续体结构,第二关节130为齿轮啮合结构。
程,驱动模组300通过滑轮模组200驱动第一关节120和第二关节130变形以适应腔道的形
状,到达病灶部位后,驱动模组300通过滑轮模组200驱动手术执行器110进行手术操作,相
比于传统的手术方式,具有创伤小、疼痛少、痊愈快等优势。
性,本发明通过连续体结构和齿轮啮合结构配合组成机械臂100,可以在保证机械臂100的
末端的灵活运动及变形能力的前提下,有效提高机械臂100的刚度,并且还能解决或改善现
有手术机器人的机械臂100的耦合作用,提高机械臂100的运动控制精度,相比于现有的手
术机器人,本发明实施例的蛇形手术机器人的可操作性强,可以满足单孔微创手术或者自
然腔道手术的要求,有利于医生进行微操处理。
于为机械臂100的变形运动提供牵引力的驱动线160,每一个驱动线160的一端与机械臂100
上对应的关节固定连接,另一端固定连接于滑轮模组200,驱动模组300通过滑轮模组200收
放驱动线160来调整机械臂100的姿态。本发明实施例的机械臂100的结构紧凑,实现了机械
臂100的小型化,使得机械臂100符合微创手术的使用需求。
限制。
设有至少一个间隔椎骨122,远端椎骨121、间隔椎骨122和近端椎骨123之间可以进行相对
摆动,远端椎骨121的一端与手术执行器110的一端连接,远端椎骨121的远离手术执行器
110的一端转动连接于间隔椎骨122,近端椎骨123的一端转动连接于间隔椎骨122,近端椎
骨123的远离间隔椎骨122的一端与第二关节130连接;第一关节120还包括用于为第一关节
120的弯曲运动提供牵引力的第一驱动线161,第一驱动线161即为对应机械臂100的第一关
节120的驱动线160,第一驱动线161的一端与远端椎骨121固定连接,第一驱动线161的远离
远端椎骨121的一端依次穿过间隔椎骨122和近端椎骨123后与滑轮模组200固定连接。通过
上述设置,使得驱动模组300可以通过滑轮模组200来收放第一驱动线161,以便于调整第一
关节120的弯曲姿态。
间隔椎骨122及近端椎骨123上,通过在第一关节120上设置具有弹性支撑件124,可以增强
第一关节120的刚度,使得机械臂100可以在手术时拥有足够的刚度,便于医生进行操控。
在该实施例中,弹性支撑件124可以设置在第一关节120内部,即弹性支撑件124依次穿过远
端椎骨121、至少一个间隔椎骨122及近端椎骨123,弹性支撑件124且固定连接于远端椎骨
121、间隔椎骨122及近端椎骨123上。当然,根据实际情况的选择,弹性支撑件124也可以设
置在第一关节120外,本发明在此不做限制。
节120内,也即多个弹性支撑丝沿周向均匀设置于远端椎骨121、至少一个间隔椎骨122及近
端椎骨123内,通过多个弹性支撑丝配合可以使得第一关节120的各个部件始终保持接触,
第一关节120处的刚度分布均匀。可以理解的是,根据实际情况的选择,弹性支撑件124的形
状也可以做适当调整,例如,弹性支撑件124也可以设置为管状结构,此结构下,弹性支撑件
124可以套接于第一关节120内部或者套设于第一关节120外侧。
不做特别限制。
离间隔椎骨122的一端固定连接,远端杆件131的远离近端椎骨123的一端和近端杆件132的
一端转动连接,第一齿轮副133固定于远端杆件131上,第二齿轮副134固定于近端杆件132
上,第一齿轮副133和第二齿轮副134啮合连接;第二关节130还包括用于为第二关节130的
摇摆运动提供牵引力的第二驱动线162,第二驱动线162即为对应机械臂100的第二关节130
的驱动线160,第二驱动线162的一端与远端杆件131固定连接,第二驱动线162的远离远端
杆件131的一端穿过近端杆件132后与滑轮模组200固定连接。通过上述设置,使得驱动模组
300可以通过滑轮模组200来收放第二驱动线162,以便于调整第二关节130的摇摆姿态。
准地调整第二关节130的摇摆姿态。
一端转动连接于固定盘135,从而实现远端杆件131和近端杆件132之间的转动连接。在该实
施例下,第二驱动线162的一端与远端杆件131固定连接,第二驱动线162的远离远端杆件
131的一端依次穿过固定盘135和近端杆件132后与滑轮模组200固定连接。
关节140的远离近端杆件132的一端连接且能沿自身轴向转动的躯干150,躯干150的远离第
三关节140的一端与滑轮模组200连接,从而提高机械臂100的自由度,以便于机械臂100伸
入腔道进行手术操作。
一齿轮副133、第二齿轮副134以及用于为第二关节130的摇摆运动提供牵引力的驱动线160
(第三驱动线163),在此不再对第三关节140的具体结构进行赘述。在该实施例中,第三关节
140的远端杆件131的远离第三关节140的固定盘135的一端固定连接于第二关节130的近端
杆件132的远离第二关节130的固定盘135的一端,第三关节140的近端杆件132的远离第三
关节140的固定盘135的一端固定连接于躯干150的远离滑轮模组200的一端固定连接。通过
上述设置,使得驱动模组300可以通过滑轮模组200来收放第三驱动线163,以便于调整第三
关节140的摇摆姿态。
节的摇摆运动或者弯曲运动,本发明在此不做限制。
别设于上基板210和下基板250上的多个驱动轴220、多个分线轴230和多个滑轮轴240,其
中,分线轴230和滑轮轴240上分别转动套设有滑轮,驱动线160分别经过对应的分线轴230
的滑轮和滑轮轴240的滑轮后固定连接于对应的驱动轴220,驱动模组300用于驱动多个驱
动轴220转动。在该实施例中,对应不同驱动线160的滑轮在平行于分线轴230(或滑轮轴
240)的方向上错落布置,各驱动线160之间不会产生碰撞与摩擦,使得驱动线160可以顺滑
的传递牵引力,有效提高机械臂100的运动控制精度。
241、第二滑轮轴242和第三滑轮轴243;驱动轴220包括于第一方向上依次排列且设于两组
滑轮轴240之间的两个第一驱动轴221、第二驱动轴222和第三驱动轴223;多个分线轴230设
于第三滑轮轴243的远离第二滑轮轴242的一侧,分线轴230具体包括分别对应两组滑轮轴
240的两个第一分线轴231和两个第二分线轴232,每一个第一驱动线161依次经过对应的第
一分线轴231和第一滑轮轴241后固定在第一驱动轴221上,每一个第二驱动线162依次经过
对应的第二分线轴232和第二滑轮轴242后固定在第二驱动轴222上,每一个第三驱动线163
依次经过对应的第二分线轴232和第三滑轮轴243后固定在第三驱动轴223上,驱动模组300
通过驱动对应的驱动轴220转动以实现收放驱动线160,从而调整机械臂100对应的部位变
形。通过上述设置,各驱动线160之间不会产生碰撞与摩擦,使得驱动线160可以顺滑的传递
牵引力,有效提高机械臂100的运动控制精度。
经对应的第一分线轴231和第一滑轮轴241后固定连接于同一个第一驱动轴221上,即每一
对第一驱动线161中的两个第一驱动线161以拮抗方式布置到滑轮模组200上,每一对第一
驱动线161中的两个第一驱动线161彼此不会有碰撞与摩擦,两对第一驱动线161分别用于
控制第一关节120在不同方向上的弯曲运动,使得本发明实施例的第一关节120具有两个自
由度。通过上述设置,两根第一驱动线161通由一个第一驱动轴221来控制收放,可以减少滑
轮、分线轴230和驱动轴220的数量,使得滑轮模组200和驱动模组300小型化,并且还能精简
控制算法,有效提高运动控制精度。可以理解的是,根据实际情况的选择,为了调整第一关
节120的自由度,第一关节120上的第一驱动线161的数量可以作适当调整,本发明在此不做
限制。
二分线轴232和第二滑轮轴242后固定连接于同一个第二驱动轴222上,第二关节130的两根
第二驱动线162以拮抗方式布置到滑轮模组200上,两根第二驱动线162彼此不会有碰撞与
摩擦,两根第二驱动线162用于控制第二关节130在同一方向上的摇摆运动,使得本发明实
施例的第二关节130具有一个自由度。通过上述设置,两根第二驱动线162由一个第二驱动
轴222来控制收放,可以减少滑轮、分线轴230和驱动轴220的数量,使得滑轮模组200和驱动
模组300小型化,并且还能精简控制算法,有效提高运动控制精度。可以理解的是,根据实际
情况的选择,为了调整第二关节130的自由度,第二关节130上的第二驱动线162的数量可以
作适当调整,本发明在此不做限制。
二分线轴232和第三滑轮轴243后固定连接于同一个第三驱动轴223上,第三关节140的两根
第三驱动线163以拮抗方式布置到滑轮模组200上,两根第三驱动线163彼此不会有碰撞与
摩擦,两根第三驱动线163用于控制第三关节140在同一方向上的摇摆运动,使得本发明实
施例的第三关节140具有一个自由度。通过上述设置,两根第三驱动线163由一个第三驱动
轴223来控制收放,可以减少滑轮、分线轴230和驱动轴220的数量,使得滑轮模组200和驱动
模组300小型化,并且还能精简控制算法,有效提高运动控制精度。可以理解的是,根据实际
情况的选择,为了调整第三关节140的自由度,第三关节140上的第三驱动线163的数量可以
作适当调整,本发明在此不做限制。
钳具有一个自由度,分线轴230还包括第三分线轴233,驱动轴220还包括第四驱动轴224,第
四驱动线164的一端固定连接于夹钳上,第四驱动线164的另一端经过对应的第三分线轴
233后固定连接于第四驱动轴224上,驱动模组300通过驱动第四驱动轴224转动以实现收放
第四驱动线164,从而使夹钳进行开合运动。
旋转驱动线165的另一端直接固定连接于旋转驱动轴225上,两根旋转驱动线165用于控制
躯干150转动,使得躯干150具有一个自由度。可以理解的是,根据实际情况的选择,也可以
采用如采用锥齿轮等其它等方式来驱动躯干150转动,本发明在此不做限制。
得驱动线160可以顺滑的传递牵引力,有效提高机械臂100的运动控制精度。
对驱动主轴2201转动的紧固件2203,驱动线160分别经过对应的分线轴230和滑轮轴240后
固定连接于对应的绕线轮2202上,驱动模组300与驱动主轴2201连接,使得驱动模组300能
够驱使驱动主轴2201转动,同时带动对应的绕线轮2202转动,以对驱动线160进行收放。在
将驱动线160固定在绕线轮2202后,可以使得绕线轮2202相对驱动主轴2201转动,直至驱动
线160完全张紧后,采用紧固件2203限制绕线轮2202相对驱动主轴2201转动。在该实施例
中,紧固件2203可以为紧定螺钉,当驱动线160完全张紧后,使紧定螺钉依次穿过绕线轮
2202后插进驱动主轴2201,当然,根据实际情况选择,紧固件2203也可以为其它结构,本发
明在此不做限制。
端通过联轴器330与对应的驱动轴220(驱动主轴2201)固定连接,从而使得每个驱动轴220
能够被单独驱动,即手术执行器110、第一关节120、第二关节130、第三关节140及躯干150能
够分别被单独驱动。相比于现有的机械手臂的驱动机构,本发明实施例的滑轮、分线轴230
和驱动轴220的数量较少,对应的电机320的数量也将少,从而使得驱动模组300小型化。
明实施例的蛇形手术机器人进行拆卸,以便于进行维护或者清洗消毒。
120具有两个自由度;第二关节130和第三关节140分别能进行摇摆运动,即第二关节130和
第三关节140分别具有一个自由度;躯干150能在其轴向转动,即躯干150具有一个自由度;
滑轮模组200滑动连接于滑台模组400,滑轮模组200相对于滑台模组400滑动时能带动整个
机械臂100运动,即机械臂100还具有一个自由度,由此可见,本发明实施例的机械臂100具
有七个自由度,以便于医生操作机械臂100进行夹持、切割、缝合等手术操作。